CN108134123A - 一种氧化还原液流电池的电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氧化还原液流电池的电堆结构，由电堆下端板、下绝缘板、下集流板、1节单电池或2节以上由双极板间隔的单电池、上集流板、上绝缘板和电堆上端板依次叠合组装而成。其中单电池由正极密封垫、正极电极框、嵌入电极框中的正电极、离子传导膜、嵌入电极框中的负电极、负极电极框和负极密封垫组成。电堆中的单电池液路并联，位于下绝缘板和上绝缘板之间的单电池电路串联。通过设置假电池将容易造成电解液分配不均的端电池移到电路串联电池的外部，使得除假电池外的电解液分配更加均匀，从而减小浓差极化，提高电压一致性。另外假电池可以作为监控系统开路电压的SOC电池使用，省去了系统上额外增设SOC电池和管路。

Description

一种氧化还原液流电池的电堆
技术领域
本发明涉及液流电池电堆结构，特别涉及液流电池电堆中的单电压均匀性。
背景技术
人类对于能源的极度苛求正促使能源革命的再次到来，可再生能源作为一种环境友好的能源类型逐渐成为能源结构中的主体，各个国家的能源升级计划中，都把高效利用可再生能源作为能源结构转型升级的重中之重。但是可再生能源并不像传统的火电一样，输出可以按照需求调节，其不连续、不稳定、不可控的特征要求必须要有配套的储能装置才能与电网紧密配合。储能装置可以根据电网不同时段的不同要求，灵活调度可再生能源，提高可再生能源的上网时间，增加效益。这就要求储能装置具有高响应、高可靠以及高的能量调度能力。在众多的储能技术中，化学储能以其灵活、可靠的特点成为众多储能方式中的首选。而液流电池更是以设计灵活、效率高、环境友好、生命周期内性价比高而成为最有前途的储能技术。
液流电池的电解液储存在电池的外部，使用时电解液经循环泵流入电池内部的电极，参与电化学反应后重新流回到电解液储罐中。商用液流电池均是由电堆构成系统模块，而电堆是由十几甚至几十节单电池通过双极板串联而成。电解液经过电堆中的电解液主管路流入各节电池，经常会出现各节电池之间电解液分配不均匀的现象，引起电压分布不均匀，降低电池性能和寿命。其中以电堆两端的端电池的不均匀性尤为明显。原因在于：1、两侧端电池与整个电堆的金属集流板相连，接触电阻较大，电流分布不均；2、端电池与端板相邻，同时也是电堆中电解液主管路的入口端或者末端，与其相配合的特殊的端板O型圈经常采用高压缩比的设计，装配压缩之后会挤占端电池的电解液进出口流道，造成流入的电解液减少，浓差极化增大。所以，在减小端电池与集流板接触电阻的同时，提高电解液在各节电池中的分配均匀性，才能真正的提高电堆的电压均匀性。
发明内容
为解决液流电池电堆中端电池电压过高，电压均匀性差的问题，本发明提供一种提高电解液在电堆中各电池之间均匀分配的电堆结构，极大地改善了电堆中由于电解液分配不均造成的电池浓差极化增大引起的单电压不均匀的现象，提高电堆的性能和寿命。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种氧化还原液流电池的电堆，由电堆下端板、下绝缘板、下集流板、1节单电池或2节以上由双极板间隔的单电池、上集流板、上绝缘板和电堆上端板依次叠合组装而成，上端板与下端板之间通过螺杆和螺母拉紧而施加装配压力；其中单电池由正极密封垫、正极电极框、嵌入电极框中的正电极、离子传导膜、嵌入电极框中的负电极、负极电极框和负极密封垫依次叠合组成。
在电堆下端板和下绝缘板之间设有绝缘板、1节单电池或2节以上由双极板或绝缘板间隔的单电池(作为假电池)，形成依次叠合的电堆下端板、绝缘板、单电池和下绝缘板结构；和/或，在电堆上端板和上绝缘板之间设有1节单电池或2节以上由双极板或绝缘板间隔的单电池(作为假电池)，形成依次叠合的电堆上端板、绝缘板、单电池和上绝缘板结构。
其中位于电堆中的单电池液路并联，电堆中位于下绝缘板和上绝缘板之间的单电池电路串联。
上述电堆中的下端板和下绝缘板之间的单电池中的离子交换膜可以用绝缘板更换；和/或，在电堆上端板和上绝缘板之间的单电池中的离子交换膜可以用绝缘板更换。
上述处于电堆下端板和下绝缘板之间、和/或电堆上端板和上绝缘板之间的单电池可作为系统的SOC电池，监控开路电压，省去了系统上额外设置的SOC电池和管路。
附图说明
图1常规电堆及内部电解液流路结构。
1-端板，2-绝缘板，3-集流板，4-双极板，5-单电池
图2带有假电池的电堆及内部电解液流路结构。6-假电池
具体实施方式
对比例1：
常规电堆的流路结构如图1所示，带有假电池的电堆及内部电解液流路结构如图2所示。其中图2中电堆的两端端板与绝缘板之间各设置了一节假电池。假电池中的离子交换膜更换为绝缘板。
如图2中所示，带有假电池的电堆的正极电解液经过正极电解液进口公用管路流入电堆，之后通过每节正极电极框上的入口分支管路流入每节电池的正极后经由出口分支管路流出电极框，汇入正极电解液出口公用管路流出电堆。负极电解液亦然。电堆中所有单电池在液路上并联。在电路上由于假电池设置在端板与集流板之间，且与集流板绝缘连接，因而不计入整个电堆电压中。但假电池中依然在正负极中流动着正负极电解液，因此可以作为SOC电池监控系统的开路电压，省却了在系统管路上额外设置SOC电池的管路装置，节省了成本并简化了系统。
如图1，常规电堆由8节单电池串联而成，电极面积900cm2，测试电流密度80mA/cm2，电堆充电截止电压12.4V，放电截止电压8V。测试过程中记录电堆充电总电压达到12V和放电总电压达到9.6V时，各单电池的单节电压数据。如图2，安装有假电池的电堆由10节单电池串联而成，在电路连接上由8节单电池串联而成。电极面积和测试条件与常规电堆完全相同。下表1为单电压的采集数据和电堆的效率值。
表1常规电堆与带有假电池的电堆的单电压采集数据
如表1所示，带有假电池的电堆相比常规电堆，充电时单电压的极差从47mV下降到13mV，放电时单电压的极差从40mV下降到10mV。单电压的均匀性明显提高。同时假电池显示开路电压为1.412V(充电)和1.264V(放电)。在效率上，带有假电池的电堆充放电的电压一致，充电和放电状态完全，因此电压效率高于常规电堆约1.2个百分点，电解液利用率也略有升高。

Claims (3)

1.一种氧化还原液流电池的电堆，由电堆下端板、下绝缘板、下集流板、1节单电池或2节以上由双极板间隔的单电池、上集流板、上绝缘板和电堆上端板依次叠合组装而成，上端板与下端板之间通过螺杆和螺母拉紧而施加装配压力；其中单电池由正极密封垫、正极电极框、嵌入电极框中的正电极、离子传导膜、嵌入电极框中的负电极、负极电极框和负极密封垫依次叠合组成；
其特征在于：
在电堆下端板和下绝缘板之间设有绝缘板、1节单电池或2节以上由双极板或绝缘板间隔的单电池(作为假电池)，形成依次叠合的电堆下端板、绝缘板、单电池和下绝缘板结构；和/或，在电堆上端板和上绝缘板之间设有1节单电池或2节以上由双极板或绝缘板间隔的单电池(作为假电池)，形成依次叠合的电堆上端板、绝缘板、单电池和上绝缘板结构；
位于电堆中的单电池液路并联，电堆中位于下绝缘板和上绝缘板之间的单电池电路串联。
2.按照权利要求1所述电堆，其特征在于：
电堆下端板和下绝缘板之间的单电池中的离子交换膜可以用绝缘板更换；和/或，在电堆上端板和上绝缘板之间的单电池中的离子交换膜可以用绝缘板更换。
3.按照权利要求1所述电堆，其特征在于：上述处于电堆下端板和下绝缘板之间、和/或电堆上端板和上绝缘板之间的单电池可作为系统的SOC电池，监控开路电压，省去了系统上额外设置的SOC电池和管路。
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